【焦点】航空航天 l 面向增材制造的火箭直属件轻量化设计…l 西安航天动力…

谷专栏

根据3D科学谷,航空航天增材制造方面,最终的赢家不仅要有核心的设计实力,还需要多点建立竞争壁垒,譬如在设备端从设备开发商和材料开发商借力,通过开发特殊的3D打印设备及特殊的材料进一步拉高技术与制造壁垒,同时还需要搭建软件实力,将数据流中的价值提取出来,将数据转化为企业前进的动力“燃料”。

本期,通过节选近期国内在航空航天方面的实践与研究的多个闪光点,3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

Valley航空技术© 3D科学谷白皮书

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block 面向增材制造的火箭
     直属件轻量化设计研究

whitepaper_Aerospace_28© 3D科学谷白皮书

赵琳瑜、杨琴文、张立平、吴帅、张锋、王猛、写旭

西安航天动力机械有限公司

摘要:

由于金属增材制造技术的飞速发展,为复杂结构的制造和设计提供了条件,而拓扑优化作为一种先进的计算方法为轻量化设计提供了新的思路,能有效降低结构重量。为了降低火箭消极质量,在保证整体性能不受影响的条件下,对结构部组件进行轻量化设计很有必要。课题以火箭发动机支架为研究对象,面向增材制造,以实体变密度法为理论指导,以结构柔度最小化和固有频率最优化对模型进行多目标拓扑优化,经多个方案迭代,最终以重建模型质量降低34%达到轻量化设计目标。该优化方法对火箭部组件结构设计起到一定参考作用。

block 航空零部件的金属增材制造
     光整加工技术研究进展

valley 激光金属© 3D科学谷白皮书

刘静怡1,2李文辉2,3李秀红1,2杨胜强1,2温学杰1,2武荣穴1,2

1. 太原理工大学机械与运载工程学院2. 精密加工山西省重点实验室3. 太原理工大学航空航天学院

摘要:

增材制造具有无需模具直接制造、材料利用率高,且对于结构复杂程度不受限制等优点,广泛应用于复杂化、轻量化的航空金属零部件一体化制造。但由于增材制造成形的零部件存在较高的表面粗糙度、复杂的残余应力分布以及难以消除的孔隙缺陷,严重制约了其在工业上的大规模应用。针对高使役性能航空零部件存在的表面完整性问题,课题概述了金属增材制造的原理及特点,总结了金属增材制造技术在航空领域的国内外应用现状,分析了金属增材制造零部件在批量生产与实际应用过程中所面临的困难与挑战。从加工机理、加工效果、应用范围等角度,重点阐述了化学、电化学、磨粒流、滚磨、激光等光整加工技术在航空金属增材制造领域的加工适应性,并对比分析了不同光整加工技术的优缺点,探讨了多种组合技术的多能场耦合协同效应,研究内容涵盖钛合金、不锈钢、铝合金、铜合金等材料,涉及管类、格栅、点阵、薄壁、曲面、复杂型腔等零部件结构特征。最后,针对航空金属增材制造光整加工领域的未来研究方向及关键技术作出思考与展望。

block 金属激光增材
     +X复合制造技术综述

valley 物理场© 3D科学谷白皮书

李毅、王振忠、肖宇航、张鹏飞

厦门大学航空航天学院

摘要:

激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing, LAM)为航空航天复杂金属零件提供了极高的设计自由度和制造灵活性,但目前主流LAM技术存在监测与控制难度大、热应力变形与缺陷难处理等关键问题。“增材+X”复合制造技术提供了多尺度解决方案,结合各辅助制造工艺的优点以改善增材成形材料的精度与性能。

增材+机械场/磁场/声场/热场等能场可实现调控熔池流动、改善微观组织、控制晶粒尺寸方向、释放残余应力以及改善表面质量等有益效果的协同优化。简要回顾了LAM技术特点及其在航空航天业的典型应用,总结了增减材、增等材制造技术的主要工艺与技术内涵,重点评述了非接触式的磁、声、热辅助场对增材熔池动力学、微观组织发展、表面质量、热梯度的作用机理以及模拟仿真研究。最后总结了各能量场辅助增材制造技术的优势与局限性,展望了金属激光“增材+X”复合制造技术的发展趋势。

block 面向航天承载结构的增材制造
     仿生蚂蚁点阵结构设计及性能验证

valley 轻量化© 3D科学谷白皮书

李行
吉林大学

摘要:

随着深空探测器、重型火箭以及大型空间望远镜等大型航天器朝着长距离和高承载等方向发展,结构轻量化的相关技术将成为提高航天装备结构承载效率的有效手段。

薄壁结构与连接结构作为航空航天结构的主要承载形式,其轻量化设计与制造过程中仍存在以下问题:

一是材料分布和多尺度结构特征对构件性能的耦合影响,导致构件材料与结构匹配的性能设计产生困难;

二是传统设计方法与制造工艺不匹配,导致复杂构件的制造出现困难。

为解决上述问题,本课题提出一种仿蚂蚁腿部构型来构造具有优异力学特性三维点阵结构的设计方法,结合结构优化设计、仿生轻量化结构设计以及三维仿生蚂蚁点阵结构填充优化设计在内的多尺度轻量化结构设计方法,通过材料与结构的匹配优化设计,采用增材制造技术,开展仿生蚂蚁点阵结构的制造与性能评价,并对航天承载结构进行轻量化设计,实现高性能、高刚度、低质量的研究目标。

主要研究内容包括:

(1)以黑金土耳其弓背蚁和工匠收获蚁作为仿生对象,对其静态模式和承载模式下的腿部结构进行系统研究,建立基于蚂蚁腿部构型的仿生单胞结构。再以仿生单胞结构为基础,根据其不同的堆叠方式,构建两种仿蚂蚁姿态的仿生点阵结构FFHBTC1和TTHBTC1。选择非金属材料—尼龙进行仿生点阵结构的制造,通过仿真和试验分析验证了基于尼龙材料的仿生蚂蚁点阵结构FFHBTC1和TTHBTC1的力学性能。

(2)选择航天装备结构件中常用金属材料—铝合金作为研究对象,开展基于增材制造的7075铝合金仿生蚂蚁点阵结构力学性能研究。针对7075铝合金的粉末特征、工艺策略等进行研究获取材料关键打印参数,通过激光粉末床熔融(LPBF)技术完成基于7075铝合金的TTHBTC1和FFHBTC1两种仿生蚂蚁点阵结构的制造,并通过试验和仿真分析验证基于7075铝合金材料的TTHBTC1和FFHBTC1仿生蚂蚁点阵结构的力学性能。

(3)选择力学性能优异且在航天承重结构中常用金属材料—钛合金作为研究对象,开展基于增材制造技术的Ti6Al4V钛合金仿生蚂蚁点阵结构力学性能研究。针对Ti6Al4V钛合金的粉末特征、粉末成型策略、成型质量与内部缺陷等进行系统研究,确定适合Ti6Al4V钛合金材料的增材制造打印工艺策略和过程工艺参数。采用LPBF技术完成基于Ti6Al4V钛合金的TTHBTC1和FFHBTC1仿生蚂蚁点阵结构的制造,通过试验和仿真分析验证基于Ti6Al4V钛合金的TTHBTC1和FFHBTC1仿生蚂蚁点阵结构的力学性能。

(4)开展航天承载结构-连接件结构的多尺度仿生优化设计研究。以某航天用经纬仪连接件结构为研究对象,结合结构优化设计、三维仿生点阵结构填充优化设计,完成经纬仪连接件的优化设计,验证基于钛合金的仿生蚂蚁点阵结构TTHBTC1在航天连接件结构轻量化设计方面的有效性。

(5)开展航天承载结构-薄壁结构的多尺度仿生优化设计研究。以广角极光成像仪垂直支架为研究对象,结合结构优化设计、模仿脊椎动物股骨的仿生形貌轻量化设计以及三维仿生点阵结构填充优化设计技术,完成结构的多尺度仿生优化设计,并基于增材制造技术实现了该复杂承载结构的制造。验证基于钛合金的仿生蚂蚁点阵结构TTHBTC1在航天薄壁结构轻量化设计方面的有效性。

block 基于变几何数字超材料
     的分布式主动变形点阵结构

valley 超材料© 3D科学谷白皮书

王志刚1,2吴琪2芦奕菲2李道春1向锦武1杨宇2

1. 北京航空航天大学航空科学与工程学院2. 中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室

摘要:

变形机翼是形状自适应结构在航空领域的重要应用,它对于提高飞行器的综合性能具有重要的作用。传统的变形机翼虽然能够实现一定程度的主动变形,但其在结构重量、变形自由度和智能化程度等方面都具有较大的局限性,尤其是无法实现分布式的变形功能。

基于此,本课题提出了一种基于变几何数字超材料的分布式主动变形点阵结构概念。这种变几何数字超材料包含了三种力学性能各异的基本胞元和两种衍生胞元,可以形成不同的组合方式,并通过可逆装配的方式进行连接。其中的主动胞元集成了微型驱动器,可以实现胞元的自主变形,使得点阵结构具备分布式变形的能力。本课题进一步针对变厚度机翼的应用场景,提出了一种基于智能算法的主动变形点阵结构优化设计方法,实现了对点阵结构组合序列和主动胞元驱动位移的协同优化。最终计算结果表明,本课题所提出的结构概念和优化方法能够较好地实现特定的目标气动外形。

block 航空点阵结构制造技术、测试
     及表征方法研究进展

Valley_点阵晶格© 3D科学谷白皮书

郑晖1廖恕1王会东2王祥贺2谢洪志2赵天章1,2,3
1. 沈阳航空航天大学航空宇航学院2. 沈阳飞机工业(集团)有限公司3. 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点实验室

摘要:

点阵结构因其内部空间的独特性,在保证结构强度的前提下可同时满足轻量化及多功能化的要求,在航空领域具有广阔的应用前景。点阵结构的构型复杂,制造工艺多样,难进行统一的力学性能表征,设计制造一体化思路尚不明确。本课题首先总结目前国内外应用范围较广的点阵结构构型与材料,回顾了点阵结构的超塑成形/扩散连接、增材制造等各个制造技术的工艺流程及优缺点,再次分析了点阵结构力学性能的测试方法和规则拓扑结构的理论力学性能表征。最终总结归纳了现有点阵结构形性协调演变机理不明确和大型点阵结构蒙皮超塑成形技术不成熟等问题,并对点阵结构在未来的发展趋势进行了展望。

block 射频离子推力器壳体
     结构点阵材料拓扑优化

valley 航天 合金© 3D科学谷白皮书

杨立博、石波、鲁海峰、李济源、谭畅
西安航天动力研究所

摘要:

针对射频离子推力器的壳体结构轻量化要求,研究了点阵材料拓扑优化设计思路和方法。

首先,通过静力学仿真和动力学仿真对原结构进行了分析,获得了结构改进基础;

其次,应用结构拓扑优化方法获得了结构的传力路径;

再次,结合传力路径和壳体结构的安装使用要求,获得了最佳的点阵材料优化设计域;

最后,通过点阵材料优化设计,获得了最佳的点阵拓扑优化结构方案。

与原结构进行对比,优化方案质量减小31.5%;动力学方面,结构模态整体提升,较好避开了推力器工作时的振动频率范围;受载条件下结构最大应力降低达59%~67%,应力分布更加均匀,结构变形也相应减小,结构刚度有所提升。优化后结构的轻量化和性能改善验证了设计方法的有效性。

block 点阵结构热交换器
     激光增材制造及换热性能测定

valley 热交换器© 3D科学谷白皮书

梁家誉、张文扬、刘伟、陈冰清
中国航发北京航空材料研究院焊接与塑性成形研究所

摘要:

采用激光粉末床熔化成形增材制造技术制备了具有点阵结构的316L不锈钢、TC4钛合金和铜合金三种不同材料的热交换器。

采用微纳计算机断层扫描(CT)技术对制备成形后的点阵结构热交换器进行三维图形的重构,获得热交换面积的数值;测量了激光粉末床熔化成形的点阵结构热交换芯体的尺寸及表面粗糙度;使用由加热单元、流动水和热电偶组成的试验装置(水流量为0.5 L/min,入水口温度恒定为22℃,环境温度为25℃,加热单元的加热功率维持在400 W),对热交换器的换热性能进行了测定。测试结果如下:三种材料的热交换芯体尺寸均达到了150 mm×150 mm,尺寸精度控制在±0.1 mm,表面粗糙度(Ra)小于10μm,热交换效率>1000 m2/m3。

相比传统的具有相同芯体尺寸的热交换效率为875 m2/m3的板翅式热交换结构,三种材料的点阵热交换结构(具有相同点阵结构、尺寸、结构表面积和结构表观体积,未考虑材料的热物性参数)在热交换效率提高10%的情况下,体积减小了24.9%,质量减少了66.6%。

block 钛合金空心点阵超塑成形/扩散
     连接成形工艺和性能研究

valley 材料指南© 3D科学谷白皮书

赵冰1,2,3杨毅4李志强1,2,3慕延宏1,2,3刘胜京1,2,3张斌1张超1孙朝阳5刘杨5王新筑6褚兴荣7韩数7

1. 中国航空制造技术研究院2. 塑性成形技术航空科技重点实验室3. 数字化塑性成形技术与装备北京市重点实验室4. 航空工业陕西飞机工业(集团)有限公司5. 北京科技大学机械工程学院6. 重庆大学航空航天学院7. 山东大学机电与信息工程学院

摘要:

钛合金空心点阵是典型的承载–功能一体化结构,采用单轴拉伸方法,在不同温度、应变速率条件下测定TA15、TA32钛合金的超塑拉伸延伸率,最大延伸率分别达到1450%和950%,后在不同温度、压力条件下进行扩散连接试验。根据超塑拉伸和扩散连接试验,确定了超塑成形和扩散连接(Superplastic forming/diffusion bonding,SPF/DB)的最佳工艺参数为:920℃/1.5~2.0 MPa/2 h,制备了不同构型和几何参数的TA15、TA32钛合金空心点阵结构件。采用平压方法和三点弯曲方法测定了钛合金空心点阵的力学性能,压缩和弯曲强度最大值分别达到23.83 MPa、596MPa,通过有限元和试验分析的方法,研究了几何参数对钛合金空心点阵平压和弯曲性能的影响规律。采用单面加热方法,研究了钛合金空心点阵结构的隔热性能,在400℃/1 h条件下,隔热温差达到276.3~310℃。

block 增材制造点阵夹芯
     混合结构的振动特性

valley 多材料© 3D科学谷白皮书

张佳乐1王星2耿小亮1刘军1李欣1董炜璘1张恒1熊若钦1

1. 西北工业大学力学与土木建筑学院2. 航空工业沈阳飞机工业集团有限公司创新研究院

摘要:

采用增材制造(additive anufacturing,AM)技术制备了钛合金点阵夹芯梁,使用硅橡胶作为阻尼材料对点阵空隙进行了填充。测试对比了有/无填充的点阵夹芯悬臂梁的模态振型,并对其进行了扫频振动激励。试验结果表明:填充阻尼材料不会改变结构振型,但可显著降低振动响应幅值。开展了硅橡胶的动态力学分析试验(dynamic mechanical analysis,DMA),结合广义麦克斯韦(generalized Maxwell model,GMM)粘弹性模型,标定了频域粘弹性模型参数。通过硅橡胶单轴拉伸试验标定了多项式型超弹性模型参数。基于粘超弹性模型及标定参数,对有填充的点阵夹芯悬臂梁进行了振动响应有限元模拟,与试验结果相符,证明本文采用的粘超弹性模型和其参数标定方法可有效用于混合结构的振动特性计算。

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